(57)【要約】      （修正有）【課題】セパレータと電極間で発生する接触抵抗が低く、耐食性に優れており、かつ低コストの燃料電池のセパレータ、燃料電池スタック及びこの燃料電池スタックを備える燃料電池車両を提供する。【解決手段】Ｆｅを主成分とし、Ｃｒと、Ｎｉ又はＭｏのいずれかの元素を含むステンレス合金板凹凸状波型に成形した基材の表面を窒化処理して形成された窒化層を有する燃料電池のセパレータ３であって、窒化層は、基材の表面から深さ方向に、Ｆｅを主成分とするＭ４Ｎ型の結晶構造を有し、基材の凹部溝底部（平板部）１３に形成された第１の窒化層１３ａと、基材の凹部溝底部１３より突出する突部１４の表面に形成された第２の窒化層１４ａとを含み、第１の窒化層１３ａより第２の窒化層１４ａの方が窒素含有量が大きい。【選択図】図３
2007073440.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｆｅを主成分とし、Ｃｒと、Ｎｉ又はＭｏのいずれかの元素を含むステンレス合金板を凹凸状波型に成形した基材の表面を窒化処理して形成された窒化層を有する燃料電池のセパレータであって、
前記窒化層は、前記基材の表面から深さ方向に、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ及びＭｏの中から選択される遷移金属原子によって形成された面心立方格子の単位胞中心の八面体空隙に窒素原子が配置されたＦｅを主成分とするＭ４Ｎ型の結晶構造を有し、前記基材の凹部溝底部に形成された第１の窒化層と、前記基材の平板部より突出する突部の表面に形成された第２の窒化層とを含み、前記第１の窒化層より第２の窒化層の方が窒素含有量が大きいことを特徴とする燃料電池のセパレータ。
【請求項２】
前記窒化層は、前記Ｍ４Ｎ型の結晶構造のマトリクスと、前記マトリクス中に微細に分散し、前記マトリクスと複合化したε−Ｍ２〜３Ｎ型の六方晶結晶構造の結晶層とを含む複合化窒化層からなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池のセパレータ。
【請求項３】
前記基材は、次の式（１）〜（３）を満たすことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池のセパレータ。
１８[ｗｔ％]≦Ｃｒ≦２６[ｗｔ％]    ・・・（１）
１１[ｗｔ％]≦Ｎｉ≦２１[ｗｔ％]    ・・・（２）
０[ｗｔ％]≦Ｍｏ≦２[ｗｔ％]        ・・・（３）
【請求項４】
次の式（４）〜（６）満たすことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池のセパレータ。
２４[ｗｔ％]≦Ｃｒ≦２６[ｗｔ％]    ・・・（４）
１４[ｗｔ％]≦Ｎｉ≦２０[ｗｔ％]    ・・・（５）
０[ｗｔ％]≦Ｍｏ≦１[ｗｔ％]        ・・・（６）
【請求項５】
前記窒化層は、次の式（７）〜（１０）を満たすことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池のセパレータ。
（Ｆｅ1-x-y-zＣｒｘＮｉｙＭｏｚ）４Ｎ１．１〜1．７                ・・・（７）
０．１９≦ｘ≦０．２８          ・・・（８）
０．１１≦ｙ≦０．１９          ・・・（９）
０≦ｚ≦０．０１                ・・・（１０）
【請求項６】
次の式（１１）〜（１３）満たすことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池のセパレータ。
０．２６≦ｘ≦０．２８    ・・・（１１）
０．１３≦ｙ≦０．１９    ・・・（１２）
０≦ｚ≦０．０１    ・・・（１３）
【請求項７】
前記平板部の幅と、前記突部の上底の幅との比が、３：１〜１：３であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池のセパレータ。
【請求項８】
前記突部の高さが、０．３[ｍｍ]から１[ｍｍ]であることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の燃料電池のセパレータ。
【請求項９】
Ｆｅを主成分とし、Ｃｒと、Ｎｉ又はＭｏのいずれかの元素を含むステンレス合金板を凹凸を持った波型に成形した基材の表面を窒化処理して形成された窒化層を有する燃料電池のセパレータの製造方法であって、
前記基材の表面から深さ方向に、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ及びＭｏの中から選択される遷移金属原子によって形成された面心立方格子の単位胞中心の八面体空隙に窒素原子が配置されたＦｅを主成分とするＭ４Ｎ型の結晶構造を有する窒化層を形成するプラズマ窒化工程を有し、
前記プラズマ窒化工程により、前記基材の凹部溝底部に形成された第１の窒化層と、前記基材の凹部溝底部より突出する凸部の表面に形成された第２の窒化層とを含み、前記第１の窒化層より第２の窒化層の方が窒素含有量が大きいようにすることを特徴とする燃料電池のセパレータの製造方法。
【請求項１０】
前記プラズマ窒化工程は、窒素ガス及び水素ガスを放電させた低温非平衡プラズマ中で、前記基材にマイナスのバイアス電圧をかけることにより、前記基材を４００〜４５０[℃]の温度でプラズマ窒化することを特徴とする請求項９に記載の燃料電池のセパレータの製造方法。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項８のいずれか一項に係る燃料電池のセパレータを有することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項１２】
請求項１１に係る燃料電池スタックを動力源として備えることを特徴とする燃料電池車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池のセパレータ、燃料電池スタック、燃料電池車両、及び燃料電池のセパレータの製造方法に関し、特にステンレス鋼を用いて形成した固体高分子電解質型の燃料電池のセパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
地球環境保護の観点から、燃料電池を自動車の内燃機関に代えて作動するモーターの電源として利用し、このモーターにより自動車を駆動することが検討されている。この燃料電池は、資源の枯渇問題を有する化石燃料を使う必要がないため排気ガス等を発生することがない。また、燃料電池は騒音がほとんど発生せず、更にはエネルギーの回収効率も他のエネルギー機関と比べて高くすることが可能である等の優れた特徴を有している。
【０００３】
燃料電池は、使用される電解質の種類に応じて、固体高分子電解質型、リン酸型、溶融炭酸塩型及び固体酸化物型等がある。そのうちの一つである固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）は、電解質として分子中にプロトン交換基を有する高分子電解質膜を使用して、高分子電解質膜を飽和に含水させるとプロトン伝導性電解質として機能することを利用した電池である。固体高分子電解質型燃料電池は比較的低温で作動し、かつ発電効率が高い。更には、固体高分子電解質型燃料電池は他の付帯設備と共に小型で軽量であるため、電気自動車搭載用を始めとする各種の用途が見込まれている。
【０００４】
上記固体高分子電解質型燃料電池は燃料電池スタックを有する。燃料電池スタックは、電気化学反応により発電を行う基本単位となる単セルを複数個積層して両端部をエンドフランジで挟み、締結ボルトにより加圧保持されて一体に構成される。単セルは、高分子電解質膜とその両側に接合されるアノード（燃料極）とカソード（酸化剤極）により構成される。
【０００５】
図１１は、燃料電池スタックを形成する単セルの構成を示す断面図である。図１１に示すように、単セル８０は、固体高分子電解質膜８１の両側に酸化剤極８２及び燃料極８３を接合して一体化した膜電極接合体を有する。酸化剤極８２及び燃料極８３は、反応膜８４及びガス拡散層８５（ＧＤＬ:ｇａｓ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｌａｙｅｒ）を備えた２層構造であり、反応膜８４は固体高分子電解質膜８１に接触している。酸化剤極８２及び燃料極８３の両側には、積層のために酸化剤極側セパレータ８６及び燃料極側セパレータ８７が各々設置されている。そして、酸化剤極側セパレータ８６及び燃料極側セパレータ８７により、酸素ガス流路、水素ガス流路及び冷却水流路が形成されている。
【０００６】
上記構成の単セル８０は、固体高分子電解質膜８１の両側に酸化剤極８２、燃料極８３を配置して、通常、ホットプレス法により一体に接合して膜電極接合体を形成し、次に膜電極接合体の両側にセパレータ８６、８７を配置して製造する。上記単セル８０から構成される燃料電池では、燃料極８３側に、水素、二酸化炭素、窒素、水蒸気の混合ガスを供給し、酸化剤極８２側に空気及び水蒸気を供給すると、主に、固体高分子電解質膜８１と反応膜８４との間の接触面において電気化学反応が起こる。以下、より具体的な反応について説明する。
【０００７】
上記構成の単セル８０において、酸素ガス流路及び水素ガス流路に酸素ガス及び水素ガスが各々供給されると、酸素ガス及び水素ガスが各ガス拡散層８５を介して反応膜８４側に供給され、各反応膜８４において以下に示す反応が起こる。
【０００８】
燃料極側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ-          ・・・式（１）
酸化剤極側：(１／２)Ｏ2＋２Ｈ+ ＋ ２ｅ-→Ｈ2Ｏ    ・・・式（２）
燃料極８３側に水素ガスが供給されると、式（１）の反応が進行して、Ｈ+ とｅ-とが生成する。Ｈ+は、水和状態で固体高分子電解質膜８１内を移動して酸化剤極８２側に流れ、ｅ- は負荷８８を通って燃料極８３から酸化剤極８２に流れる。酸化剤極８２側では、Ｈ+とｅ-と供給された酸素ガスとにより、式（２）の反応が進行して、電力が生成する。
【０００９】
上述したように、燃料電池のセパレータは各単セル間を電気的に接続する機能を有するため、電気伝導性が良く、かつガス拡散層等の構成材料との接触抵抗が低いことが要求される。また、固体高分子型電解質膜は、スルホン酸基を多数有する高分子から形成されており、湿潤状態においてスルホン酸基をプロトン交換として用いるため、プロトン伝導性を有する。固体高分子型電解質膜は強酸性であるため、燃料電池のセパレータにはｐＨ２〜３程度の硫酸酸性に対する耐食性が要求される。さらに、燃料電池に供給される各ガスの温度は８０〜９０[℃]と高温であり、また、燃料極では水素雰囲気下でＨ+が生じ、酸化剤極では酸素や空気にさらされる。このため、酸化剤極及び燃料極と同様に、燃料電池のセパレータには強酸性雰囲気下で耐え得る耐食性が要求される。なお、ここで要求される耐食性とは、燃料電池のセパレータが強酸性の酸化環境下においても電気伝導性能を維持できる耐久性を意味する。つまり、カチオンが加湿水又は式（２）の反応により生成した水に溶け出すことにより、カチオンが本来プロトンの通り道となるべきスルホン酸基と結合してスルホン酸基を占有し、電解質膜の発電特性を劣化させる環境で、耐食性を測定する必要がある。
【００１０】
そこで、燃料電池のセパレータには、電気伝導性が良く耐食性に優れたステンレス鋼又は工業用純チタン等のチタン材を使用する試みがされている。ステンレス鋼は、その表面にクロムを主金属元素とした酸化物、水酸化物又はこれらの水和物等の緻密な不動態皮膜が形成されている。チタンも同様に、その表面に酸化チタン、水酸化チタン又はこれらの水和物等の緻密な不動態皮膜が形成されている。このため、ステンレス鋼やチタンは耐食性が良好である。
【００１１】
しかし、上記した不動態皮膜は、通常ガス拡散層として用いられるカーボンペーパとの間で接触抵抗を生じる。燃料電池内の抵抗分極による過電圧は、定置型用途ではコージェネレーション等により排熱を回収できるため、トータルとしての熱効率が向上する。一方、自動車用用途では、接触抵抗に基づく発熱ロスは冷却水を通してラジエータから外部に捨てるしかないため、接触抵抗が大きくなると発電効率の低下に繋がる。また、発電効率低下は発熱が大きくなることと等価であり、より大きな冷却系を装備する必要性が生じるため、接触抵抗の増大は解決すべき重要な課題となっている。
【００１２】
燃料電池では、単位セル当りの理論的な電圧は１．２３[Ｖ]となるが、反応分極、ガス拡散分極、抵抗分極により実際に取り出せる電圧が降下し、取り出す電流が大きくなるほど電圧は降下する。また、自動車用用途では、単位体積・重量当りの出力密度を大きくしたいことから、定置用より高電流密度側、例えば、電流密度１[Ａ／ｃｍ２]で使用される。電流密度が１[Ａ／ｃｍ２]の時には、セパレータとカーボンペーパ間の接触抵抗が４０[ｍΩ・ｃｍ２]以下であれば接触抵抗による効率低下がおさえられると考えられている。
【００１３】
そこで、ステンレス鋼をプレス成形した後、電極との接触面に直接金めっき層を形成した燃料電池のセパレータが提案されている（特許文献１参照）。また、ステンレス鋼を成形して燃料電池のセパレータの形状に加工した後、電極との接触により接触抵抗を生じる面の不動態皮膜を除去して、貴金属又は貴金属合金を付着させた燃料電池のセパレータが提案されている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平１０−２２８９１４号公報（第２頁、第２図）
【特許文献２】特開２００１−６７１３号公報（第２頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、貴金属を燃料電池のセパレータ表面にコーティングすると手間がかかる上、コストの増加につながる。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、第１の発明である燃料電池のセパレータは、Ｆｅを主成分とし、Ｃｒと、Ｎｉ又はＭｏのいずれかの元素を含むステンレス合金板を凹凸状波型に成形した基材の表面を窒化処理して形成された窒化層を有する燃料電池のセパレータであって、窒化層は、基材の表面から深さ方向に、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ及びＭｏの中から選択される遷移金属原子によって形成された面心立方格子の単位胞中心の八面体空隙に窒素原子が配置されたＦｅを主成分とするＭ４Ｎ型の結晶構造を有し、基材の凹部溝底部に形成された第１の窒化層と、基材の平板部より突出する突部の表面に形成された第２の窒化層とを含み、第１の窒化層より第２の窒化層の方が窒素含有量が大きいことを要旨とする。
【００１６】
第２の発明である燃料電池のセパレータの製造方法は、Ｆｅを主成分とし、Ｃｒと、Ｎｉ又はＭｏのいずれかの元素を含むステンレス合金板を凹凸を持った波型に成形した基材の表面を窒化処理して形成された窒化層を有する燃料電池のセパレータの製造方法であって、基材の表面から深さ方向に、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ及びＭｏの中から選択される遷移金属原子によって形成された面心立方格子の単位胞中心の八面体空隙に窒素原子が配置されたＦｅを主成分とするＭ４Ｎ型の結晶構造を有する窒化層を形成するプラズマ窒化工程を有し、プラズマ窒化工程により、基材の凹部溝底部に形成された第１の窒化層と、基材の凹部溝底部より突出する凸部の表面に形成された第２の窒化層とを含み、第１の窒化層より第２の窒化層の方が窒素含有量が大きいようにすることを要旨とする。
【００１７】
第３の発明である燃料電池スタックは、上記第１の発明に係る燃料電池のセパレータを有することを要旨とする。
【００１８】
第４の発明である燃料電池車輌は、上記第３の発明に係る燃料電池スタックを動力源として備えることを要旨とする。
【発明の効果】
【００１９】
第１の発明によれば、酸化性環境下におけるセパレータと電極との間の接触抵抗を低い値に維持し、耐食性に優れ、かつ低コスト化を実現した燃料電池のセパレータを提供することができる。
【００２０】
第２の発明によれば、簡便な操作により、酸化性環境下での低抵触抵抗値を維持し、耐食性に優れ、かつ低コスト化を実現した燃料電池のセパレータを得ることができる。
【００２１】
第３の発明によれば、発電性能に優れ、小型化かつ低コスト化した燃料電池スタックを提供することができる。
【００２２】
第４の発明によれば、小型化した燃料電池スタックを搭載することにより、走行距離の長距離化を実現できると共にスタイリングの自由度を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態に係る燃料電池のセパレータ、燃料電池スタック、燃料電池車両及び燃料電池のセパレータの製造方法について、固体高分子型燃料電池に適用した例をあげて説明する。
【００２４】
（燃料電池のセパレータ及び燃料電池スタック）
図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池のセパレータを用いて構成した燃料電池スタック１の外観を示す斜視図である。図２は、図１に示す燃料電池スタック１の詳細な構成を模式的に示す燃料電池スタック１の展開図である。
【００２５】
図２に示すように、燃料電池スタック１は、電気化学反応により発電を行う基本単位となる単セル２と燃料電池のセパレータ３とを交互に複数個積層して構成される。図２に示した単セル２の両面にセパレータ３を配置した構成を図３に示す。図３は、単セル２の両面にセパレータを配置した断面図である。図３に示すように、各単セル２は、固体高分子電解質膜の一方の面に燃料極、他方の面に酸化剤極として白金触媒担持カーボンの触媒層がそれぞれ接合された膜電極接合体６と、この膜電極接合体６の燃料極側の面に配置された燃料極側ガス拡散層７と、膜電極接合体６の酸化剤極側の面に配置された酸化剤極側ガス拡散層８から構成されている。燃料極側ガス拡散層７及び酸化剤極側ガス拡散層８の外側にはセパレータ３がそれぞれ配置され、セパレータ３と燃料極側ガス拡散層７及び酸化剤極側ガス拡散層８との間に酸化剤ガス流路と燃料ガス流路とを各々画成する。固体高分子型電解質膜としては、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体膜（ナフィオン1128（登録商標）、デュポン株式会社）等を使用することができる。複数個の単セル２と燃料電池のセパレータ３とを交互に積層した後、両端部にエンドフランジ４を配置して、外周部を締結ボルト５により締結して燃料電池スタック１を構成する。また、燃料電池スタック１には、各単セル２に水素ガス等の水素を含有するガスを供給するための水素供給ラインと、酸化剤ガスとして空気を供給する空気供給ラインと、冷却水を供給する冷却水供給ラインが設けられている。
【００２６】
図２に示した燃料電池のセパレータ３の模式図を図４に示す。図４（ａ）は、燃料電池のセパレータ３の模式的斜視図、図３（ｂ）は、燃料電池のセパレータ３のIVb-IVb線断面図、図４（ｃ）は、燃料電池のセパレータ３のIVc-IVc線断面図である。図４（ａ）に示すように、燃料電池のセパレータ３は、Ｆｅ（鉄）を主成分とし、Ｃｒ（クロム）と、Ｎｉ（ニッケル）又はＭｏ（モリブデン）のいずれかの元素を含むステンレス合金板を凹凸状波型に成形した基材１０からなり、基材１０の表面を窒化処理することにより得られ、基材１０の表面１０ａの深さ方向に形成されている後述するＭ４Ｎ型の結晶構造を有する窒化層１１と、窒化されていない基材である基層１２とからなる。燃料電池のセパレータ３には、プレス成形により燃料又は酸化剤の通路となる基材の凹部溝底部である平板部１３と、平板部１３より突出する突部１４を備え、通路１３及び平板部１４の外面に沿って窒化層１１が延在している。平板部１４は、燃料電池のセパレータ３と単セル２とを交互に積層した際に隣接する固体高分子膜上のガス拡散層に接触する。
【００２７】
基層１２は、Ｆｅを主成分とし、Ｃｒと、Ｎｉ又はＭｏのいずれかの元素を含むステンレス鋼からなる。このような元素を含有するステンレス鋼として、オーステナイト系、オーステナイト・フェライト系、析出硬化系のステンレス鋼が挙げられる。これらの中でも、基層１２は、特にオーステナイト系ステンレス鋼から形成することが好ましい。オーステナイト系ステンレス鋼としては、例えば、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１０Ｓ、ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３１７Ｊ１、ＳＵＳ３１７Ｊ２、ＳＵＳ３２１、ＳＵＳ３２９Ｊ１、ＳＵＳ８３６等が挙げられる。中でもＣｒ含有量の多いＳＵＳ３１０Ｓ、ＳＵＳ３１７Ｊ２を用いることがより好ましい。
【００２８】
窒化層１１は、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ及びＭｏの中から選択される遷移金属原子によって形成された面心立方格子の単位胞中心の八面体空隙に窒素原子が配置されたＦｅを主成分とするＭ４Ｎ型の結晶構造を有する。Ｍ４Ｎ型の結晶構造を図５（ａ）に示す。図５（ａ）に示すように、Ｍ４Ｎ型の結晶構造２０は、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ及びＭｏの中から選ばれた遷移金属原子によって形成された遷移金属原子２１によって形成された面心立方格子の八面体空隙位置に窒素原子２２が配置された立方晶の結晶構造である。このＭ４Ｎ型の結晶構造２０において、Ｍは、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ及びＭｏの中から選択される遷移金属原子２１を表し、Ｎは窒素原子２２を表す。窒素原子２２はＭ４Ｎ型の結晶構造２０の八面体空隙に侵入し、立方晶の空間格子で表すと、窒素原子２２は各単位胞の格子座標（０，０，１／２）、（０，１／２，０）、（１／２，０，０）、（１／２，１／２，１／２）に位置する。また、このＭ４Ｎ型の結晶構造２０では、遷移金属原子２１はＦｅを主体としているが、ＦｅがＣｒ、Ｎｉ、Ｍｏなどの他の遷移金属原子と一部置換した合金も含む。
【００２９】
Ｍ４Ｎ型の結晶構造２０を含む遷移金属窒化物は、遷移金属原子間の金属結合を保ったまま遷移金属原子と窒素原子の間で強い共有結合性を示し、遷移金属原子で構成される面心立方格子の八面体空隙位置に過飽和に窒素原子が侵入して遷移金属原子と結合するため、遷移金属窒化物中の各金属原子の酸化に対する反応性が低下する。このため、Ｍ４Ｎ型の結晶構造２０を有する窒化層１１を有するセパレータ３は、酸化性環境下におけるガス拡散層との間の接触抵抗を低い値に維持し、耐食性に優れる。また、Ｍ４Ｎ型の結晶構造２０では図４に示す結晶格子を保ちつつ格子間に窒素原子が侵入しているため、セパレータ３の単セル２との導電性を確保する。また、従来のように、電極と接触する面に直接金メッキ層を施さなくても接触抵抗を抑えることができるため、低コスト化を実現することが可能となる。なお、燃料電池のセパレータ３において、窒化層１１中に含まれるＦｅに対するＣｒ原子比が高い場合には、窒化層１１中に含まれる窒素が窒化層１１中のＣｒと結びついてＣｒＮなどのＣｒ系窒化物、すなわちＮａＣｌ型の窒素化合物が主成分となる。このため、窒化層１１中にＣｒの欠乏組織ができ、この欠乏組織により窒化層１１の耐食性が低下するため、遷移金属原子２１はＦｅを主体とすることが好ましい。
【００３０】
窒化層１１は、燃料電池のセパレータ３の表面である第１の面３ａと、裏面である第２の面３ｂの両面に形成されている。平板部１３において、第１の面３ａ側に形成された窒化層を第１の窒化層１３ａ、平板部１３より突出する突部１４において、第１の面３ａ側に形成された窒化層を第２の窒化層１４ａとする。燃料電池のセパレータ３において、隣接する単セル２と接触して導電性を確保するためには、単セルのガス拡散層と接触する突部１４の第１の面である第２の窒化層１４ａに含まれる窒素量が多いことが好ましい。このため、第１の窒化層１３ａと第２の窒化層１４ａに含まれる窒素量は異なり、第１の窒化層１３ａに含まれる窒素量よりも第２の窒化層１４ａに含まれる窒素量の方が多いことが好ましい。同様に、平板部１３において第２の面３ｂに形成された窒化層を第１の窒化層１３ｂ、突部１４の第２の面３ｂに形成された窒化層を第２の窒化層１４ｂとした場合には、第２の窒化層１４ｂに含まれる窒素量よりも第１の窒化層１３ｂに含まれる窒素量の方が多いことが好ましい。
【００３１】
図６に一対のセパレータ３を接合して一体化したものをセパレータ部材として使用した例である。この例においても、第１の窒化層１３ａに含まれる窒素量よりも第２の窒化層１４ａに含まれる窒素量の方が多いことが好ましい。また、第２の窒化層１４ｂに含まれる窒素量よりも単セル２と接触する第１の窒化層１３ｂに含まれる窒素量の方が多いことが好ましい。
【００３２】
窒化層１１は、Ｍ４Ｎ型の結晶構造のマトリクスと、マトリクス中に微細に分散し、マトリクスと複合化したε−Ｍ２〜３Ｎ型の六方晶結晶構造の結晶層とを含む複合化窒化層からなることが好ましい。図５（ｂ）に窒化層に含まれるε−Ｍ２〜３Ｎ型の六方晶結晶構造を示す。図５（ｂ）に示すように、ε−Ｍ２〜３Ｎ型の六方晶の結晶構造２３は、Ｍ４Ｎ型の結晶構造２０よりも窒素濃度が高い。このため、ε−Ｍ２〜３Ｎ型の六方晶結晶構造２３の結晶層を有する窒化層は、Ｍ４Ｎ型の結晶構造２０のみを有する単相の窒化層と比べて更に多くの窒素を含み、窒化層中の窒素原子の濃度が高くなる。そして、各遷移金属原子の活量はさらに低下するため、窒化層中の各遷移金属原子の酸化に対する反応性が低下する。このため、窒化層は燃料電池の酸化性環境下においても化学的に安定であり、燃料電池に用いるセパレータとして必要な導電性と、燃料電池の使用環境下における導電性の機能を維持する化学的安定性及び耐食性を兼ね備えた窒化層が得られる。また、窒化層中の遷移金属原子と窒素原子との共有結合性を強めて遷移金属原子の酸化に対する反応性を低下させて化学的に安定化させることで、導電性の機能の維持及び耐食性をより向上させることが可能となる。
【００３３】
セパレータ３として用いる基材は、ステンレス鋼基材状に形成される遷移金属窒化物中の、遷移金属原子と窒素原子との共有結合性を強めること、また、各遷移金属元素の活量を低下させることにより遷移金属原子の酸化に対する反応性を低下させて化学的に安定化し、導電性の機能を維持する観点から、次の式（３）〜（５）を満たすＦｅを主成分とするステンレス鋼からなることが好ましい。
【００３４】
１８[ｗｔ％]≦Ｃｒ≦２６[ｗｔ％]    ・・・式（３）
１１[ｗｔ％]≦Ｎｉ≦２１[ｗｔ％]    ・・・式（４）
０[ｗｔ％]≦Ｍｏ≦５[ｗｔ％]        ・・・式（５）
また、遷移金属原子と窒素原子の共有結合性を更に強めることで、化学的安定性をより向上させる観点から、次の式（６）〜（８）満たすことがより好ましい。
【００３５】
２４[ｗｔ％]≦Ｃｒ≦２６[ｗｔ％]    ・・・式（６）
１４[ｗｔ％]≦Ｎｉ≦２０[ｗｔ％]    ・・・式（７）
０[ｗｔ％]≦Ｍｏ≦１[ｗｔ％]        ・・・式（８）
また、窒化層中の遷移金属原子と窒素原子との共有結合性を強めること、各遷移金属元素の活量を低下させることにより、遷移金属原子の酸化に対する反応性を低下させて化学的安定化することで、導電性の機能を維持する化学的安定性及び耐食性をより向上させる観点から、窒化層１１は、次の式（９）〜（１２）満たすことが好ましい。
【００３６】
（Ｆｅ1-x-y-zＣｒｘＮｉｙＭｏｚ）４Ｎ０．８〜1．７                ・・・式（９）
０．１９≦ｘ≦０．２８          ・・・式（１０）
０．１１≦ｙ≦０．１９          ・・・式（１１）
０≦ｚ≦０．０３                ・・・式（１２）
さらに、次の式（１３）〜（１５）満たすことがより好ましい。
【００３７】
０．２６≦ｘ≦０．２８    ・・・式（１３）
０．１３≦ｙ≦０．１９    ・・・式（１４）
０≦ｚ≦０．０１    ・・・式（１５）
また、第一の窒化層に比べ第２の窒化層の窒素含有量を優位に高める観点から、図３に示すセパレータ３の平板部１３の幅ｗ１と、突部１４の上底の幅ｗ２との比が、３：１〜１：３であることが好ましい。同様に、第一の窒化層に比べ第２の窒化層の窒素含有量を優位に高める観点から、突部１４の高さＨが、０．３[ｍｍ]から１[ｍｍ]であることが好ましい。
【００３８】
このように、本発明の実施の形態に係る燃料電池のセパレータは、Ｆｅを主成分とし、Ｃｒと、Ｎｉ又はＭｏのいずれかの元素を含むステンレス合金板からなる基材の表面を窒化処理して形成された窒化層を有する燃料電池のセパレータであって、窒化層は、基材の表面から深さ方向に、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ及びＭｏの中から選択される遷移金属原子によって形成された面心立方格子の単位胞中心の八面体空隙に窒素原子が配置されたＦｅを主成分とするＭ４Ｎ型の結晶構造を有し、基材の平板部に形成された第１の窒化層と、基材の平板部より突出する突部の表面に形成された第２の窒化層とを含み、第１及び第２の窒化層は窒素含有量が異なることにより、窒化層が化学的安定性を有し、酸化性環境下におけるセパレータと電極との間の接触抵抗を低い値に維持し、耐食性に優れ、かつ低コスト化を実現することができる。また、本発明の実施の形態に係る燃料電池スタックは、本発明の実施の形態に係る燃料電池のセパレータを有することにより、発電性能を損なうことなく高い発電効率を維持できると共に、小型化及び低コスト化を実現することが可能となる。
【００３９】
（燃料電池のセパレータの製造方法）
次に、本発明に係る燃料電池のセパレータの製造方法の実施の形態について説明する。この燃料電池のセパレータの製造方法は、Ｆｅを主成分とし、Ｃｒと、Ｎｉ又はＭｏのいずれかの元素を含むステンレス合金板を凹凸を持った波型に成形した基材の表面を窒化処理して形成された窒化層を有する燃料電池のセパレータの製造方法であって、基材の表面から深さ方向に、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ及びＭｏの中から選択される遷移金属原子によって形成された面心立方格子の単位胞中心の八面体空隙に窒素原子が配置されたＦｅを主成分とするＭ４Ｎ型の結晶構造を有する窒化層を形成するプラズマ窒化工程を有し、プラズマ窒化工程により、基材の凹部溝底部に形成された第１の窒化層と、基材の凹部溝底部より突出する凸部の表面に形成された第２の窒化層とを含み、第１の窒化層より第２の窒化層の方が窒素含有量が大きいようにすることを特徴とする。この方法により、基材の表面から深さ方向にＭ４Ｎ型の結晶構造を有し、基材の凹部溝底部に形成された第１の窒化層と、基材の凹部溝底部より突出する突部の表面に形成された第２の窒化層とを含み、第１の窒化層より第２の窒化層の方が窒素含有量が大きい燃料電池のセパレータが容易に得られる。
【００４０】
プラズマ窒化法は、被処理物を陰極とし、直流電圧を印加してグロー放電、すなわち、低温非平衡プラズマを発生させてガス成分の一部をイオン化し、この非平衡プラズマ中のイオン化したガス成分が被処理物表面へ高速加速衝突することで被処理物表面を窒化する方法である。このため、プラズマ窒化法では、イオン衝撃によるスパッタリング作用により被処理物であるステンレス鋼表面の不動態皮膜を容易に除去しつつ窒化するためステンレス鋼に適した窒化方法であり、かつ非平衡反応によって基材中に窒素イオンを浸透させるために、基材表面に上記した結晶構造を短時間で容易に得ることができ、耐食性が向上する。ここで、非平衡プラズマとは、プラズマの中でも電子の平均エネルギーがイオンや中性種の平均エネルギーより大きな状態にあるプラズマをさす。
【００４１】
次にプラズマ窒化の詳細を説明する。図７は、本発明の実施の形態に係る燃料電池のセパレータの製造方法に用いる窒化装置３０の側面模式図、図８は、窒化装置３０のシステム図である。
【００４２】
窒化装置３０は、バッチ式の窒化炉３１と、この窒化炉３１に雰囲気ガスを供給するガス供給装置３２と、窒化炉３１内でプラズマを発生させるプラズマ電極３３ａ、３３ｂ及びこれらの電極３３ａ、３３ｂに直流電圧を供給する直流電源３３と、窒化炉３１内のガスを排出するポンプ３４と、窒化炉３１内の温度を検知する温度センサ３７とを含んでいる。窒化炉３１は内壁３１ａ及び外壁３１ｂを有し、内壁３１ａの天井部３１ｃには燃料電池のセパレータの形状に加工したステンレス鋼箔４４を吊下するステンレス製のハンガ３６が設けられる。ガス供給装置３２は、ガス室３８とガス供給管路３９とを有し、ガス室３８には開口３２ａ、３２ｂ、３２ｃ及び３２ｄが設けられている。開口３２ａ、３２ｂ及び３２ｃは、それぞれガス供給弁Ｖ１、ガス供給弁Ｖ２及びガス供給弁Ｖ３を備えるＨ２ガス供給ライン３２ｅ、Ｎ２ガス供給ライン３２ｆ、Ａｒガス供給ライン３２ｇと連通する。ガス供給装置３２は、ガス供給管路３９の一端と連通する開口３２ｄを有する。窒化炉３１の天井部３１ｃには、ガス供給管路３９の他端と連通する開口３１ｄを有する。ガス供給管路３９にはガス供給弁Ｖ４が設けられる。窒化炉３１内のガス圧は、窒化炉３１の底部３１ｅに設けられたガス圧センサ４０によって検知される。窒化炉３１には冷却水流路（不図示）が設けられ、冷却水は窒化炉３１の外壁３１ｂに設けられた開口３１ｆから冷却水流路に流入し、開口３１ｇから流出する。開口３１ｆには冷却水供給弁Ｖ５が設けられ、冷却水の流量を調節する。ポンプ３４は、上記底部３１ｅに設けられた開口３１ｈと連通する排出管路４１と接続される。温度センサ３７は、窒化炉３１の外壁３１ｂに設けられた設置口３１ｉに設置される。
【００４３】
窒化装置３０には、グロー放電のために操作盤４３から制御される直流電源３３の他に、バイアス用のポテンショメータ３５が設けられている。直流電源３３は陽（＋）極３３ａが窒化炉３１の内壁３１ａに接続され、陰（−）極３３ｂが接地されている。ポテンショメータ３５は、バイアス用直流電源端子３５ｃと接地回路３５ｄとの間の電位差を、可動接触子３５ｅにより０[Ｖ]からバイアス電圧の範囲で分圧し、それにより得た電圧をバイアス回路３５ａを介して各ステンレス鋼箔４４に供給する。直流電源３３は制御盤４３からの制御信号によりオン、オフされる。ポテンショメータ４５は、操作盤４３からバイアス制御回路３５ｂを介してバイアス制御信号が供給され、この制御信号に応じて可動接触子３５ｅが摺動する。従って、各ステンレス鋼箔４４は、内壁３１ａに対し、直流電源３３の端子間電圧と、可動接触子３５ｅを介して供給されるバイアス電圧との間の電圧差を有する。なお、ガス供給装置３２及びガス圧センサ４０も、操作盤４３によって制御される。
【００４４】
この方法により基材表面に窒化層を形成した場合には、従来のように、電極と接触する面に直接金メッキ層を施さなくても接触抵抗を抑えることができるため、低コスト化を実現することが可能となる。
【００４５】
プラズマ窒化工程は、窒素ガス及び水素ガスを使用し、窒素ガス及び水素ガスを放電させた低温非平衡プラズマ中においてステンレス鋼材にマイナスのバイアス電圧をかけることによりステンレス鋼材を４００〜４５０[℃]の温度で窒化を行うことが好ましい。プラズマ窒化処理では、イオン衝撃によるスパッタリング作用により金属材料表面の不動態皮膜を容易に除去できる。プラズマ窒化の手法を用いた窒化処理では、金属材料表面の酸素を除去しながら窒化反応を進めることができるため、窒化後の金属材料の最表層の酸素レベルを十分に低く抑えることが可能となる。さらに、カーボンペーパとの間の接触抵抗を、燃料電池として好適となるように低い値に維持することが可能となる。
【００４６】
また、プラズマ窒化を行うに際し、ステンレス合金板からなる基材を、プレス成形にて凹凸を有する波型に成形した後に、この成形品を陰極とし、グロー放電プラズマ窒化をすることが好ましい。低接触抵抗と高耐食性を兼ね備えたセパレータを得るためには、プラズマ窒化時のステンレス基材の温度を４００〜４５０[℃]の低温として、窒化層中の窒素量を大きくすることが有効である。プラズマ窒化の手法で窒化層中の窒素含有量を高くするためには、プラズマ放電を強くする必要があるが、プラズマ放電を強くすると基材の温度が高くなり、かえって窒化層中の窒素量が減少し、窒化層の接触抵抗の耐久性、すなわち接触抵抗を低く維持できる時間が短くなるという問題点がある。しかし、基材に凹凸形状を施して窒化した場合には、平板状の場合よりもプラズマ体積に対する電子放出面積が増えたプラズマ励起状態の高い状態で窒化することになるため、基材の過熱を防ぎつつ、基材表面から深さ方向に窒素含有量の多い窒化層が得られる。また、凸部表面直上の電界強度が相対的に凹部溝底部（平板部）表面直上よりも高くなるため、凸部表面直上のプラズマ励起状態が相対的に凹部溝底部表面直上よりも高いプラズマ励起状態で窒化することになる。このため、凸部表面に形成された窒化層と凹部表面に形成された窒化層中に含まれる窒素量を異なるようにすることが可能となる。
【００４７】
このように、本発明の実施の形態に係る燃料電池のセパレータの製造方法によれば、簡便な操作により、酸化性環境下での低抵触抵抗値を維持し、耐食性に優れ、かつ低コスト化を実現した燃料電池のセパレータ製造することが可能となる。
【００４８】
（燃料電池車両）
本発明の実施の形態に係る燃料電池車両の一例として、前述した本発明の実施の形態に係る燃料電池スタックを動力源として備えた燃料電池電気自動車を挙げて説明する。
【００４９】
図９は、燃料電池スタック１を搭載した燃料電池電気自動車の外観を示す図である。図９（ａ）は燃料電池電気自動車５０の側面図、図９（ｂ）は燃料電池電気自動車５０の上面図である。図９（ｂ）に示すように、車体５１前方には、左右のフロントサイドメンバとフードリッジのほか、フロントサイドメンバを含む左右のフードリッジ同士を互いに連結するダッシュロア部材をそれぞれ組み合わせて溶接接合したエンジンコンパートメント部５２を形成している。図９（ａ）及び（ｂ）に示す燃料電池電気自動車５０では、エンジンコンパートメント部５２内に燃料電池スタック１を搭載している。
【００５０】
本発明の実施の形態に係る燃料電池セパレータを適用した発電効率の高い燃料電池スタック１を自動車等の移動体車両に搭載することにより、燃料電池電気自動車の燃費向上を図ることができる。また、小型化した軽量の燃料電池スタック１を車両に搭載することにより、車両重量を低減して省燃費化を図ることができ、走行距離の長距離化を図ることができる。さらに、小型化した燃料電池を移動体車両等に搭載することにより、車室内空間をより広く活用することができ、スタイリングの自由度を高めることができる。
【００５１】
なお、燃料電池車両の一例として電気自動車を挙げたが、本発明は電気自動車等の車両に限定されるものではなく、電気エネルギが要求される航空機その他の機関にも適用することが可能である。
【実施例】
【００５２】
以下、本発明に係る燃料電池のセパレータの実施例１〜実施例７及び比較例１、２について説明する。これらの実施例は、本発明に係る燃料電池のセパレータの有効性を調べたもので、異なる原料に対して、異なる条件下で処理を施すことによって生成した燃料電池のセパレータの例を示したものである。
【００５３】
＜試料の調製＞
各実施例では、ＪＩＳにて規定されたＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３１０Ｓ、ＳＵＳ３１７Ｊ２材について、実施例１〜実施例７では厚さ０.１[ｍｍ] の光輝焼鈍材をプレス成形にて所定の形状に成形した後に脱脂洗浄を行い、両面にプラズマ窒化処理を施した。比較例１、２は、光輝焼鈍材を脱脂洗浄後、両面にプラズマ窒化処理を施した後に、プレス成形を施し、所定の形状へ成形した。表１に、用いた鋼種とそこに含まれる元素の含有率（ｗｔ％）及び原子百分率（ａｔ％）を示す。表２にプレス成形により形成された凸部の幅、凹部の幅、溝の深さ（凸部の高さ）、製造工程、窒化温度及び圧力を示す。表２に示すように、処理温度４００〜４５０[℃]、処理時間６０[分]、ガス混合比Ｎ２：Ｈ２＝１：１、処理圧力３〜７[Ｔｏｒｒ]（＝３９９〜６６５[Ｐａ]）の範囲内で各々制御した。
【表１】
2007073440.tif 000003
【表２】
2007073440.tif 000004
【００５４】
ここで、各試料は、以下の方法によって評価された。
【００５５】
＜窒化層の同定＞
上記方法によって得られた試料の窒化層の同定は、窒化処理を施した表面のＸ線回折測定を行うことにより同定した。装置は、マックサイエンス社製 Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）を用いた。測定は、線源はＣｕＫα線、回折角２０〜１００[゜]、スキャン速度２[゜／ｍｉｎ]の条件で行った。
【００５６】
＜窒化層の厚さの測定＞
窒化層の厚さは、光学顕微鏡または走査型電子顕微鏡を用いて断面観察することにより測定した。
【００５７】
＜窒素量の定量＞
窒化層の窒素量、すなわち、窒化層の化学式をＭ４ＮＸで表現した場合のＸの値は、オージェ電子分光分析の深さ方向プロファイルにより、深さ１００〜２００[ｎｍ]間の測定値を平均した。装置は、ＰＨＩ社製 MODEL4300を用いた。測定は、電子線加速電圧５[ｋＶ]、測定領域２０[μｍ]×１６[μｍ]、イオン銃加速電圧３[ｋＶ]、スパッタリングレート１０[ｎｍ／ｍｉｎ]（ＳｉＯ２換算値）の条件で行った。
【００５８】
＜接触抵抗の測定＞
上記実施例１〜実施例７及び比較例１、２で得られた試料を３０[ｍｍ]×３０[ｍｍ]の大きさに切り出して接触抵抗を測定した。装置は、アルバック理工製 圧力負荷接触電気抵抗測定装置  TRS-2000SS型を用いた。そして、図１０（ａ）に示すように、電極６１とサンプル６２との間にカーボンペーパ６３を介在させて、図１０（ｂ）に示すように、電極６１a／カーボンペーパ６３ａ／サンプル６２／カーボンペーパ６３ｂ／電極６１ｂの構成とした。そして、測定面圧１．０[ＭＰａ]にて１[Ａ／ｃｍ２]の電流を流した際の電気抵抗を２回測定し、各電気抵抗の平均値を求めて接触抵抗値とした。なお、接触抵抗は、後述する浸漬試験の前後で２回測定を行った。浸漬試験後の接触抵抗は、燃料電池スタック内で燃料電池のセパレータが曝される環境を模擬して、酸化性環境下での耐食性を評価したものである。カーボンペーパは、カーボンブラックで担持した白金触媒を塗布したカーボンペーパ（東レ（株）製カーボンペーパ  TGP-H-090  厚さ０．２６[ｍｍ]、かさ密度０．４９[ｇ／ｃｍ３]、空隙率７３[％]、厚さ方向体積抵抗率０．０７[Ω・ｃｍ２]）を用いた。電極は、直径φ２０のＣｕ製電極を用いた。
【００５９】
＜耐食性の評価  浸漬試験＞
本発明の実施例及び比較例について、接触抵抗増大に対し厳しい試験である浸漬試験を実施した。燃料電池では、セパレータはガス拡散層として使用されるカーボンペーパにより各電極と隔離されているため、加湿水が凝縮しても、その凝縮した液滴が電極から孤立する場合がある。また、セパレータ近傍及びカーボンペーパとの接触部に存在する加湿水は電解質濃度が希薄であるため、イオン伝導性が非常に小さいものとなる。この場合には、電子は電子移動媒体であるセパレータ及びカーボンペーパ内を移動することができるが、イオン伝導性が非常に小さいためイオンは凝縮した加湿水中を通ってセパレータ近傍から電極触媒まで移動できない。このため、セパレータ部と電極触媒部を一つの電気化学的セルとみなすことはできなくなる。この場合には、セパレータの電位は、電極電位ではなく自然電位となっているものと考えられる。発明者らは、このような燃料電池環境を再現するにあたり、セパレータ材料に電位を印加せず、酸性溶液中に試料を浸漬する浸漬試験を行い、定電位電解試験と比べてより接触抵抗増大に関して厳しい条件で試験を行うことにより、この試験は耐食性の評価により適した試験であることを見出した。このため、セパレータ材料に電位を印加せず、セパレータ材料を一定時間溶液中で保持した後の接触抵抗の増加を測定することにより、接触抵抗の機能維持性、つまり、窒化物の化学安定性を評価した。なお、浸漬試験（酸洗）の条件は、試料をｐＨ４の硫酸水溶液に浸漬し、温度を８０[℃]、保持する一定時間を１００[時間]とした。
【００６０】
実施例１〜実施例７及び比較例１、２における凸部及び凹部の窒化層の結晶構造、厚さ、ε−Ｍ２〜３Ｎ型の六方晶の結晶構造を有する結晶層の厚さ、結晶層と隣接する結晶層との層間距離、最大強度を示す化学シフト及びＭ４ＮＸにおけるＸの数を表３に、浸漬試験前後での接触抵抗値を表４に示す。 
【表３】
2007073440.tif 000005
【表４】
2007073440.tif 000006
【００６１】
実施例１〜実施例６及び比較例１の凸部窒化層、実施例１〜実施例７及び比較例１の凹部窒化層には、Ｍ４Ｎ型の結晶構造及びε−Ｍ２〜３Ｎ型の結晶構造を含む窒化層が形成されていた。ε−Ｍ２〜３Ｎ型の結晶構造は、Ｍ４Ｎ型の結晶構造を有するマトリクス中に層状に形成されていた。図１１（ａ）に窒化層７１の模式図、（ｂ）に７１ｂ部の拡大図を示す。図１１に示すように、基材として使用したステンレス鋼の表面を窒化処理することにより、基材の表面の深さ方向に窒化層７１が形成されている。窒化層７１の直下は窒化されていない基材である基層（不図示）となっている。図１１に示すように、窒化層７１には層状の組織が繰り返された２相複合組織が観測され、Ｍ４Ｎ型の結晶構造のマトリクス７３と、マトリクス７３中に形成された層状のε−Ｍ２〜３Ｎ型の結晶構造の結晶層７４であることが判明した。実施例７の凸部窒化層及び比較例２の凸部窒化層、凹部窒化層にはＭ４Ｎ型の結晶構造を有する窒化層が形成されていた。
【００６２】
実施例１〜実施例７では凹部窒化層に含まれる窒素量よりも凸部窒化層に含まれる窒素量が多く、比較例１、２では凸部窒化層及び凹部窒化層に含まれる窒素量は同じであった。実施例１〜実施例７では、浸漬試験後の接触抵抗は高くなったものの浸漬試験前後の接触抵抗はいずれも４０[ｍΩ・ｃｍ２]以下と低い値を示した。これに対し、比較例１、２では浸漬試験後の接触抵抗が４０[ｍΩ・ｃｍ２]を超え、耐食性が劣っていた。このように、実施例１〜実施例７、特に実施例１〜実施例６では、Ｍ４Ｎ型の結晶構造及びε−Ｍ２〜３Ｎ型の結晶構造が形成されているため、各試料の浸漬試験前後における接触抵抗値が低い値を示し、耐食性が良好であった。このように、実施例の各試料が酸化性環境下における電気化学的安定性に優れ、耐食性が良好であった理由は、窒化層がＭ４Ｎ型結晶構造を有し、遷移金属原子間の金属結合を保ったまま遷移金属原子と窒素原子の間で強い共有結合性を示すことにより窒化層中の各金属原子が化学的に安定していることに加え、ε−Ｍ２〜３Ｎ型の結晶構造を有することにより、窒化層全体の窒素含有量が増大し、遷移金属窒化物中の各遷移金属原子の酸化に対する反応性がさらに低下したためと考えられる。このように、窒化物の酸化に対する化学的安定性が高いため、浸漬試験後に窒化物最表面が酸化されず、耐食性に維持したと考えられる。また、凹部よりも凸部の窒素量が多いことにより、接触抵抗を低い値に維持できたと考えられる。
【００６３】
以上示したように、実施例１〜実施例７で得られた試料は酸化性環境下におけるセパレータと電極との間の接触抵抗を低い値に維持し、かつ耐食性に優れていることが分かった。また、プラズマ窒化という簡便な操作により窒化処理ができることから、酸化性環境下での低抵触抵抗値を維持し、耐食性に優れ、かつ低コスト化を実現した燃料電池のセパレータが得られることがわかった。さらに、実施例１〜実施例７で得られた試料を用いることにより、単位セル当りの起電力が高く、起電力の高い燃料電池スタックを形成することが可能となることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池のセパレータを用いて構成する燃料電池スタックの外観を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る燃料電池のセパレータを用いて構成する燃料電池スタックの展開図である。
【図３】燃料電池スタックを構成する単セルの両側に燃料電池セパレータを配置した構成を示す断面図である。
【図４】（ａ）燃料電池のセパレータの模式的な斜視図である。（ｂ）燃料電池のセパレータのIVb-IVb線断面図である。（ｃ）燃料電池のセパレータのIVc-IVc線断面図である。
【図５】（ａ）本発明の実施の形態に係る燃料電池のガス拡散層の窒化層に含まれるＭ４Ｎ型結晶構造を示す模式図である。（ｂ）窒化層に含まれるε−Ｍ２〜３Ｎ型の六方晶結晶構造を示す模式図である。
【図６】燃料電池スタックを構成する単セルの両側に一対の燃料電池セパレータを配置した構成を示す断面図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る燃料電池のセパレータの製造方法に用いる窒化装置の側面模式図である。
【図８】窒化装置のシステム図である。
【図９】本発明の実施の形態に係る燃料電池スタックを搭載した電気自動車の外観を示す図であり、（ａ）は電気自動車の側面図、（ｂ）は電気自動車の上面図である。
【図１０】（ａ）各実施例で得られた試料の接触抵抗の測定方法を説明する模式図である。（ｂ）接触抵抗の測定に使用する装置を説明する模式図である。
【図１１】（ａ）窒化層の模式図である。（ｂ）７１ｂ部の拡大図である。
【図１２】燃料電池スタックを形成する単セルの構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６５】
１  燃料電池スタック
２  単セル
３  燃料電池のセパレータ
４  エンドフランジ
５  締結ボルト
１０  基材
１０ａ  表面
１１  窒化層
１２  基層
１３  平板部
１４  突部
２０  Ｍ４Ｎ型結晶構造
２１  遷移金属原子
２２  窒素原子
【図１】
2007073440.tif 000007
【図２】
2007073440.tif 000008
【図３】
2007073440.tif 000009
【図４】
2007073440.tif 000010
【図５】
2007073440.tif 000011
【図６】
2007073440.tif 000012
【図７】
2007073440.tif 000013
【図８】
2007073440.tif 000014
【図９】
2007073440.tif 000015
【図１０】
2007073440.tif 000016
【図１１】
2007073440.tif 000017
【図１２】
2007073440.tif 000018